拱桥结构极限承载力的研究现状与发展

维普资讯 http://www.cqvip.com 公路交通科技　２００２　８月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＩＧＨＷＡＹ　ＡＮＤ　Ⅱ　ＳＰ０ＲＴＡ　Ｉ１０Ｎ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ＡＮＤ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ　文章编号：１００２—０２６８（２００２）０４—００５７—０３　拱桥结构极限承载力的研究现状与发展　程　进　，江见鲸　，肖汝诚　，项海帆　（１．清华大学土木工程系，北京１０００８４；２．同济大学桥梁工程系，上海２０００９２）　摘要：从分析理论、试验研究及极限承载力分析方面介绍拱桥结构极限承载力研究现状，指出目前研究中亟待解决的　几个问题　关键词：拱桥；极限承载力；空气静力稳定；钢管混凝土　中图分类号：Ｕ４４８．２２０．２　文献标识码：Ａ　Ｓｔａｔｅ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｕｌｔｉｍａｔｅ　Ｌｏａｄ　Ｃａｒｒｙｉｎｇ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｃｈ　Ｂｒｉｄｇｅｓ　ＣＨＥＮＧ　Ｊｉｎ　，Ｊ１ＡＮＧ胁ｎ一　，Ｘ１ＡＯ　Ｒｕ—ｃｈｅｎｇ　，Ｘ１ＡＮＧ　Ｈａｌ　ｎ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｉｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｖｅｒｙ　ｐｏｐｕｌａｒ　ａｎｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｓｉｎｃｅ　ａｎｃｉｅｎｔ　ｔｉｍｅｓ．Ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ　ｏｆ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｃａＩ１　ｂｅ　ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｐｐｅａｌｉｎｇ　ａｅｓｔｈｅｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｓｐａｎ　ｒｅｃｏｒｄ　ｏｆ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｉｓ　５　１　８ｍ　（Ｎｅｗ　Ｒｉｖｅｒ　Ｇｏｒｇｅ　Ｂｒｉｄｇｅ，ｉｎ　Ｕ．Ｓ．Ａ）．Ｗｉｈｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｕｐｕ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎ　Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ（５５０ｍ），ｔｈｅ　ｒｅｃｏｒｄ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｂｒｏｋｅｎ．　Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｓｐａｎ　ｏｆ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ，ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｃａｐａｃｉｙ　ａｎａｌｙｓｉｔｓ　ｒｅｃｅｎｔｌｙ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｍｏｒｅ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｂｏｔｈ　ｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃ—　ｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ａｄ＆ｅｓｓｅｄ　ｔｏ　ａ　ｒｅｖｉｅｗ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｌｏａｄ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｓｔ　ｆｅｗ　ｄｅｃａｄｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，Ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂ￣ｍｓ　ｏｎ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｅａ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．　Ｋｅｙ　ｗＯｒｄｓ：Ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ；Ｕｌｔｉａｔｍｅ　ｌｏａｄ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｙ；Ａｅｒｔｏｓｔａｔｉｃ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｌｌｅ　ｕ随着国民经济的蓬勃发展，交通工程建设不断扩　大，长大跨度桥梁日益增多。近几年来，作为大跨度　桥梁主要形式之一的拱桥得到了迅速的发展。先后建　成了主跨３１２ｍ广西邕宁邕江大桥、主跨３６０ｍ广东　、ｒ髻沙大桥和主跨４２０ｍ重庆万县长江大桥。目前，　上海正在黄浦江上建造主跨５５０ｍ的钢箱中承式拱　１研究现状　１．１分析理论和方法现状　人们对拱桥结构极限承载力的认识是与其计算理　论的发展紧密相连的。早期的拱桥极限承载力理论为　线弹性理论，该理论是首先假定结构的不同失稳模　态，建立起相应的屈曲平衡微分方程，然后求解得到　结构的极限荷载或者是通过求解特征值的方法计算出　相应的屈曲临界荷载，因此，该理论属于第一类稳定　理论的范畴。随着拱桥跨径的增大，人们逐渐发现采　用线弹性理论会过高地估计结构的承载能力，是偏于　不安全的。因此，Ｃｈａｔｔｅ＠ｅ（１９４８）ｌｌ　Ｊ首先建立了拱　桥，拱高１００ｍ，无论是拱桥结构的跨径还是拱高都　处于国际同类桥梁的领先水平，该桥的建成将使我国　拱桥的修建技术达到国际先进水平。随着拱桥跨径的　不断增大，拱桥的极限承载力问题将会变得更为重　要：近几十年来，国内外学者对于这问题做了大量的　研究工作，取得了很多成果。本文就这一问题的研究　现状与发展趋势做一些介绍和评述。　桥结构极限承载力分析的挠度理论，该理论是建立在　收稿日期：２００１４３９—１８　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５９８９５４１０）　作者简介：程进（１９７１一），男，上海人，博士后，主要从事桥梁结构分析及抗风方面的研究　维普资讯 http://www.cqvip.com 公路交通科技２００２年第４期　结构第二类稳定的基础上，考虑了结构几何非线性对　极限荷载的影响。随后，更为精确的弹塑性分析理论　被建立起来，并被运用到拱桥结构极限承载力分析中　去　由于该理论综合考虑了结构几何、材料非线性的　影响，因此，采用该理论计算出的临界荷载能较真实　地反映结构的承载能力　与试验值基本相符。同一年，钟新谷结合广东省开平　县潭江二桥（主跨６０ｍ拱桥）的兴建，进行厂一个　按１：５比例缩尺的模型试验。试验结果表明当荷载加　至结构的极限荷载时，拱顶的位移会出现迅速增加的　特征，此时桥面将出现开裂。２０００年，陈宝春进行　了两根钢管混凝土单圆管肋拱面内极限承载力模型试　验。试验结果表明，钢管混凝土肋拱具有较好的弹塑　性性能和较高的承载能力。　１．３极限承载力分析现状　拱桥极限承载力分析一般分为两种：一种是面内　极限承载力分析；另一种是面外极限承载力分析。关　于拱桥面内极限承载力分析，国内外已进行Ｊ，大量研　拱桥极限承载力理论的发展离不开其分析方法的　发展　早期的分析方法主要是线性方法，其中具有代　表性的是线性屈曲法，该方法就是假定结构失稳时处　于弹性小变形范围，结构的内力与外荷载成比例关　系，采用求解特征值的方法进行结构临界荷载的计　算：一方面由于该方法未考虑结构非线性和结构“初　始缺陷”的影响，因此，仅适用于较理想的结构；另　一究，利用有限元进行非线性计算和分析已得到了较町　靠的结果，有关试验和计算也证明了这一点ｌ６一。关于　面外极限承载力分析，由于涉及到拱肋计算的三维问　方面，由于该方法计算简单，并且是非线性计算结　随着计算机的日益发展和广泛应用，非线性有限　果的上限，因此，目前仍被广泛采用。　元分析方法不断兴起，并逐渐成为结构极限承载力分　析中强有力的工具。考虑结构几何非线性的有限元方　法首先被运用到拱桥结构极限承载力的分析中＿２　Ｊ，但　是由于该方法未考虑结构材料非线性的影响，所以人　题，比面内极限承载力计算复杂得多，过去在这方面　的研究进展较为缓慢。然而，由于近几年国内外学者　的重视，这方面研究取得了较大进展，获得了不少研　究成果。如１９９７年Ｎａｚｍｙ对一座钢拱桥的极限承载　力进行了三维有限元分析，并讨论了不同设汁参数　（如矢跨比、拱角支撑形式等）对拱桥极限承载力的　影响。２０００年Ｙｏｎｇ—Ｌｉｎ　Ｐｉ对钢拱的面外非弹性承载　力进行了分析，指出荷载的分布方式以及残余应力都　们又提出了综合考虑结构几何和材料非线性的分析方　法，并将其运用到拱桥结构极限承载力的计算中，取　得了与试验值较吻合的结果ｌ３　。由于考虑结构材料非　线性因素的不同，该方法又可分为几种＿４，　，其中以　用等效弹性模量考虑材料非线性较为实用简单。　１．２试验研究现状　会对拱的面外承载力产生较大影响。国内具有代表性　的如１９９８年杨永新采用空间曲梁单元对一座钢管混　凝土拱桥极限承载力进行了分析；１９９９年钟新谷在　正是由于拱桥极限承载力理论分析的复杂性及存　在的困难，拱桥极限承载力研究的另一条途径就是试　验研究：试验研究可以避开理论分析时引入的不少假　设而造成的误差，直观地反映拱桥的受力特性，从而　考虑箱形梁翘曲、畸变、横向弯曲等因素影响的基础　上对一座单拱面预应力系杆拱桥极限承载力进行了汁　算；１９９９年周文伟采用非线性有限元方法对大跨度　铁路钢管混凝土拱桥极限承载力进行了研究。以上所　指导设计及施工。对拱桥极限承载力分析的试验研究　始于１９７９年，Ｐａｏｌａ　Ｒｏｎｅａ（１９７９）进行了一座主跨　４００ｅｍ，矢高７５ｅｍ的钢筋混凝土拱桥的模型试验。结　果表明理论计算的该桥极限荷载与试验测量值较符　合，误差不超过５％。１９８３年，陈克济分别进行了主　跨４００ｅｍ，矢跨比１／５，ｍ＝２．２４的悬链线无铰拱和　述的均是成桥状态下拱桥极限承载力分析。然而，由　于桥梁的事故往往发生在施工阶段，因此，拱桥结构　施工状态下的极限承载力问题显得更为重要。赵雷、　谢尚英、颜全胜等学者在这方面做了不少工作，取得　了一些研究成果。　双铰拱的模型试验。试验结果表明按原有金尼克公式　计算值作为拱的临界荷载是不安全的，必须进行折　减，并给出了相应的折减系数。随后，西南交通大学　结构工程试验中心拱桥课题组对主跨４２０ｍ的万县长　江大桥钢筋混凝土拱进行了模型试验研究，得出了该　２亟待解决的若干问题　国内外学者已对拱桥结构极限承载力问题展开了　较广泛的研究，并且通过采用带有各自特点的方法进　行极限承载力分析都取得了较好的效果，为拱桥结构　极限承载力研究作出了不同程度的贡献。然而，随着　拱桥跨径的不断增大，非线性效应日益突出，作用其　上的荷载不断复杂化，因此，势必还存在许多问题有　待于进一步探讨。　桥在外荷载作用下的变形和内力是合理且具有一定的　安全储备的结论。１９９９年，周文伟进行了一座钢管　混凝土双肋拱的模型试验，试验结果表明理论计算值　圈　维普资讯 http://www.cqvip.com 拱桥结构极限承载力的研究现状与发展程　进等　问题之一是拱桥极限承载力的精确化理论和分析　件的研究尚处于初始阶段。由于受材料本构关系等因　素制约，对钢管混凝土拱桥极限承载力的研究还未深　方法的建立。目前，一般采用线性屈曲分析法求解拱　桥的极限荷载。该方法虽然计算简便，概念清楚，但　它的理论基础是分枝点稳定理论，只能用于理想结　构：而实际拱桥结构都存在初始缺陷，拱肋轴线与压　力线也不可能完全吻合。这些原因势必导致拱桥的破　坏不具有分又性而发生极值点破坏。实际研究表明，　采用线性失稳理论计算的稳定系数比非线性稳定系数　大几倍，因此，必须全面考虑结构几何和材料非线性　才能准确评估出结构实际的承载能力。但是，如何建　立一套精确考虑结构几何和材料非线性的大跨度拱桥　入开展。随着钢管混凝土拱桥跨径的不断增加，其极　限承载力方面的研究会变得越来越重要，因此，深入　开展钢管混凝土拱桥极限承载力方面的研究已势在必　行。　问题之五是大跨度拱桥极限承载力分析程序的研　制和开发。国内外已相继开发出许多大型有限元分析　程序如ＡＢＡＱＵＳ、ＡＤＩＮＡ、ＡＮＳＹＳ等，但是它们均不　具备求解桥梁结构极限承载力问题的功能。因此，研　制和开发出一套方便而实用的极限承载力分析程序是　十分迫切的。　３结语　稳定分析理论和计算方法，以及如何定量地分析非线　性因素对拱桥结构极限承载力的影响，至今未得到很　好的解决。　问题之二是大跨度拱桥空气静力稳定性的研究。　近几年来，国内外学者已对悬索桥和斜拉桥的空气静　力稳定性进行了较为深入的研究＿７　Ｊ，而对大跨度拱桥　进行空气静力稳定性方面的研究还未见报道。随着拱　拱桥是以承受压力为主的结构体系，其极限承载　力一直是桥梁工程师最关心的问题之一。然而，随着　拱桥跨径的不断增大，非线性效应的突出，作用其上　的荷载的复杂，势必会引发出一些新的问题，如何解　桥跨径的增大，结构变轻变柔，在侧向静风三分力作　用下，主拱与主梁将会发生较大的侧向变位和扭转，　有可能出现静风和恒、活载耦合作用下的失稳。因　此，大跨度拱桥的非线性静风稳定性研究是十分重要　的。　决这些问题值得进行深入研究。　参考文献：　［１］　Ｃｈａｔｔｅｒｊｅｅ　Ｐ　Ｎ　Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｒｉｂｂｅｄ　Ｔｗｏ—Ｈｉｎｇｅｄ　Ｅｌａｓｔｉｃ　Ａｒｃｈｅｓ　Ｔｈｅｓｉｓ　ＰｈＤ．，Ｔｈｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｉｌｌｉｎｏｉｓ，１９４８　问题之三是大跨度拱桥在施工过程中的非线性稳　定分析。近几年来，拱桥结构在施工过程中发生破坏　的现象时有发生，如四川Ｉ某拱桥在施工过程中拱肋出　现失稳，因此，如何保证拱桥在施工过程中的稳定性　是值得研究的。　［２］　Ｓａｄａｏ　Ｋｏｍａｔｓｕ，Ｙａｔｓｕｒｏ　Ｓａｋｉｍｏｔｏ．Ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｔｏａｄ—ｃａｒｒｙｉｎｇ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ　Ａｒｃｈｅｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｔｍｃｔｕｒａｌ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，ＡＳＣＥ，１９７７，１０３，　ｓ１、ｌ２：２３２３—２３３６．　［３］　谢幼藩，陈克济．拱桥面内稳定性计算的探讨．西南交通犬学　学报，１９８２（１）：１—１１　［４］　周文伟．大跨度铁路钢管混凝土拱桥空间稳定极限承载力　分析长沙铁道学院博士论文，１９９９．　大跨度钢筋混凝土拱桥施工阶段稳定性分析　问题之四是钢管混凝土拱桥极限承载力的研究。　近几年来，钢管？昆凝土拱桥以其跨越能力强而被广泛　应用。然而，由于钢管混凝土构件力学行为的复杂　性，目前尚未建立起相对较完善的本构关系。钢管混　凝土构件组合材料本构关系仅限于轴向受压和纯扭转　剪切等简单受力状态，复杂受力状态下钢管混凝土构　［５］　赵雷，张金平等［６］　［７］　的非线性问题．四ＪＩＩ建筑科学研究，１９９５（４）：７一ｌＯ　陈克济．钢筋混凝土拱面内承载力非线性分析．桥梁建设，　１９８３（１）：２４—３６．　程进．缆索承重桥梁非线性空气静力稳定性研究　同济大学博　士论文，２０００　囤